鋰離子電池正負(fù)極片納秒脈沖激光切割新工藝及特征研究*

江樺銳，張松嶺，肖海兵

（1. 深圳市海目星激光智能裝備股份有限公司， 廣東深圳 518110；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與裝備學(xué)院， 廣東深圳 518172）

0 引言

傳統(tǒng)的模切鋰離子電池極耳容易導(dǎo)致毛刺和粉塵，影響電池的性能和使用壽命[1]。激光切割可以大大提高鋰電池性能。激光切割工藝直接影響極耳切割效率與切割質(zhì)量。研究激光切割工藝，通過改變工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)降低毛刺，提高產(chǎn)品精度。2005年，魏思明[2]研究了激光切割機(jī)加工質(zhì)量分析與控制分析激光切割的加工原理，以及影響加工質(zhì)量的諸多因素，闡述如何控制提高加工質(zhì)量的方法。 針對(duì)理離子電池極片激光切割機(jī)制，2013年，Lee D 等[3]建立了激光與極片材料相互作用的模型，對(duì)激光切割鋰電池極耳試驗(yàn)研究，模擬了激光切割極耳時(shí)間、深度和燒蝕閥值，并通過光纖激光切割極片的試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性。P fleging W[4]研究激光切割鋰離子石墨陽(yáng)極工藝。2014年，Demir A G 等[5]采用紅外激光和綠激光切割鋰離子電池極片，分析了兩種加工條件對(duì)切割邊緣寬度的影響。Lee 等[6]從試驗(yàn)上對(duì)激光高速遠(yuǎn)程切割極片的激光功率和切割速度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了可接受的切割質(zhì)量。針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的激光切割質(zhì)量，鄧永麗等[7]使用不同波長(zhǎng)和脈寬的激光器進(jìn)行切割試驗(yàn)，結(jié)果表明極片的切割質(zhì)量與激光脈寬呈負(fù)相關(guān)。2019年，晏一菓[8-9]以三層復(fù)合鋰離子電池負(fù)極極片材料為對(duì)象，開展納秒脈沖激光掃描切割極片的研究。李建相[10]研究觀察石墨層、銅箔和負(fù)極復(fù)合材料的切縫形貌，分析超快激光切割負(fù)極的機(jī)制。研究表明負(fù)極材料的超快激光切割機(jī)制以氣化切割為主。切割過程中，銅箔切割機(jī)制是快速熱氣化、熱熔化和相爆炸的共同作用，被激光束直接輻照的石墨層在激光能量的作用下被氣化切除。電池電極在連續(xù)脈沖激光輻射下，以100 mm/s、500 mm/s和1 m/s的速度獲得12個(gè)激光參數(shù)組的切口深度[11-13]。研究表明：更短的脈沖、更高的速度和更短的波長(zhǎng)可提高切割效率。

基于此，本文研究鋰離子電池正負(fù)極片納秒脈沖激光切割新工藝，提出熱影響、正面毛刺、端面毛刺的平均值來(lái)判斷切割極耳的形貌特征，并通過實(shí)驗(yàn)獲得較好的切割效果。

1 納秒脈沖激光切割極耳機(jī)理

納秒脈沖激光切割鋰電材料鋰電材料激光切割的熱傳遞如圖1所示，根據(jù)被加工材料以及激光工作模式的不同，熱作用和光化學(xué)作用在加工中所起作用的程度不同。納秒脈沖激光加工各不相同，例如在用鋰電極耳材料做加工對(duì)象時(shí)，燒蝕痕跡和飛濺物明顯，熱作用占主。

圖1 鋰電材料激光切割的熱傳遞模型

在納秒激光作用下，材料吸收激光的過程和隨后往內(nèi)部傳遞熱能的過程也遵守?zé)崃W(xué)的基本定律。材料包含傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式。激光束照射到極耳材料表面，在激光加熱過程中熱傳導(dǎo)微分方程和材料溫度如下[14]：

式中：T為溫度，是坐標(biāo)x、y、z和時(shí)間t的函數(shù)；α為導(dǎo)溫系數(shù)；cP為容積熱容系數(shù)；k為導(dǎo)熱系數(shù)；A為單位時(shí)間內(nèi)單位體積所放出的熱量，與坐標(biāo)和時(shí)間有關(guān)。

納秒脈沖能量在空間上均勻分布，時(shí)間呈高斯分布，并使用如下函數(shù)形式描述脈沖功率密度在時(shí)間上的分布：

式中：I0為脈沖峰值功率密度；Qs為脈沖能量密度；t0為脈沖峰值時(shí)間。w是脈沖寬度（FWHM）；σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

激光束能量較低時(shí)，無(wú)法切斷材料，但過高的能量引起材料氧化，形成熱影響區(qū)。納秒脈沖激光一般會(huì)給出脈沖寬度、峰值功率和重復(fù)頻率：脈沖能量=峰值功率×脈沖寬度；平均功率=脈沖能量×重復(fù)頻率。切割速度由脈沖重復(fù)頻率的上限及可接受的重疊共同決定。在確定了重疊度后，激光脈沖重復(fù)頻率直接決定了加工速度，重復(fù)頻率越高，加工速度越快。

圖2 所示為鋰電材料激光切割的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)域是指在加工過程中，沿著激光切口附近的區(qū)域被加熱，導(dǎo)致了金屬的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生硬化的現(xiàn)象。熱影響區(qū)域的存在對(duì)于激光切割來(lái)說(shuō)比較不利，尤其是對(duì)于金屬表面以及邊緣的光滑程度會(huì)產(chǎn)生不良影響。

圖2 激光切割的熱影響區(qū)

激光切割鋰電池極耳的熱影響區(qū)域會(huì)導(dǎo)致金屬硬化外，也會(huì)導(dǎo)致金屬邊緣出現(xiàn)凹陷和腐蝕等現(xiàn)象。在精密切割加工過程中，鋰電材料切割導(dǎo)熱模型表述如下：

式中： Δh為材料導(dǎo)熱長(zhǎng)度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料密度；C為比熱容；t為作用時(shí)間。

激光切割特征及性能判斷如表1 所示。鋰電極片激光切割通過熱影響區(qū)、毛刺、表面粉塵來(lái)表征和判斷。

表1 切割特征及性能判斷

2 試驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)材料

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

鋰電極耳切割系統(tǒng)由納秒激光器、振鏡切割頭、光路系統(tǒng)、工作臺(tái)、除塵系統(tǒng)、CCD視覺系統(tǒng)等組成。參數(shù)如表2所示，激光波長(zhǎng)為1064 nm，脈寬為50 ns，功率為200 W，重復(fù)頻率為0.4～20 MHz，實(shí)驗(yàn)采用顯微鏡觀測(cè)掃描深度和熱影響區(qū)。

表2 納秒脈沖激光切割設(shè)備參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為銅箔、鋁箔、陽(yáng)極石墨等，試驗(yàn)材料如表3所示。

表3 試驗(yàn)材料

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

影響切割質(zhì)量的主要因素有激光功率、單脈沖能量、光斑的搭接率、激光波形及頻率等；SPI-200W脈沖激光器具有高的峰值功率和脈沖能量，同時(shí)最小程度影響光斑尺寸，SPI-200W有20多種波形，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象，可以選擇不同的波形。選取SPI-200W 激光器3 種典型的波形W5、W11、W29，參數(shù)如表4所示。

表4 激光波形參數(shù)

3 試驗(yàn)分析

3.1 鋁箔切割對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案所選定的波形及參數(shù)進(jìn)行切割，每個(gè)參數(shù)切割2 片，統(tǒng)計(jì)其熱影響、正面毛刺、端面毛刺的平均值，激光頻率與波形對(duì)切割質(zhì)量的影響如圖3 所示，當(dāng)在頻率500 kHz，切割速度4000 mm/s，切割效果最為明顯，切割毛刺長(zhǎng)度在10～20 μm。

圖3 激光頻率與波形對(duì)切割質(zhì)量的影響

采用SPI200W不同頻率切割，W5號(hào)波形，38 ns，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面，切割形貌特征如圖4所示。

圖4 鋁箔切割質(zhì)量對(duì)比

由圖可見，不同頻率下其切縫表面有明顯的不同。圖4（a）～（b）是在W5 號(hào)波形，200 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面；圖4（c）～（d）是在W5號(hào)波形，430 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面，如在200 kHz下時(shí)主要表現(xiàn)為平面毛刺和熱影響（飛濺），而在430 kHz 時(shí)主要表現(xiàn)為熔邊和端面毛刺。在切割速度一定的情況下，頻率越大，搭接率越高。搭接率越高，輸入能量越多越容易產(chǎn)生熔邊。

3.2 銅箔切割對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案所選定的波形及參數(shù)進(jìn)行切割，每個(gè)參數(shù)切割2片，統(tǒng)計(jì)其熱影響、端面毛刺的平均值，W11波形，切割銅箔速度4000 mm/s，切割銅箔毛刺長(zhǎng)度在50～150 μm。

圖5 銅箔激光頻率與波形對(duì)切割質(zhì)量影響

采用SPI200 W不同頻率切割，11號(hào)波形，切割銅箔速度4000 mm/s，通過極片正面、端面觀察切割特征，切割形貌特征如圖6所示。

圖6 銅箔激光切割質(zhì)量對(duì)比

從圖中分析，圖6（a）～（b）是在W11 號(hào)波形，430 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面；圖6（c）～（d）是在W11 號(hào)波形，800 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面，采用11 號(hào)波形時(shí)，在中心頻率氧化最為嚴(yán)重，低頻或高頻時(shí)氧化現(xiàn)象稍好一些。其主要原因是，低頻時(shí)即使單脈沖能量較高但激光的光斑搭接較低，而在高頻時(shí)單脈沖能量較低。

3.3 陽(yáng)極石墨切割對(duì)比

針對(duì)陽(yáng)極石墨材料，采用SPI-200W激光切割，不同頻率下陽(yáng)極石墨激光切割工藝如圖7所示，每個(gè)參數(shù)切割2片，統(tǒng)計(jì)其熱影響、端面毛刺的平均值，W29 波形，切割陽(yáng)極石墨速度1000 mm/s，切割銅箔毛刺長(zhǎng)度在50～150 μm，切割陽(yáng)極石墨毛刺長(zhǎng)度在30～85 μm。

圖7 不同頻率下陽(yáng)極石墨激光切割工藝

石墨切割在保證切斷的前提下，切割質(zhì)量無(wú)較大的影響。圖8（a）～（b）是在W29 號(hào)波形，200 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面；圖8（c）～（d）是在W29 號(hào)波形，320 kHz，切割速度1000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面。由圖8可見，不同頻率下其切縫表面有變化，切割特征主要表現(xiàn)為平面毛刺和熱影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，納秒激光波形、激光頻率與激光切割速度對(duì)切縫特征影響較大。

圖8 不同頻率下陽(yáng)極石墨激光切割形貌

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)銅箔、鋁箔、石墨的激光切割試驗(yàn)，探討其納秒脈沖激光切割新工藝。分析不同的納秒脈沖切割參數(shù)如激光波形、重復(fù)頻率、切割速度等對(duì)切割質(zhì)量的影響。創(chuàng)新提出采用熱影響、平面毛刺、端面毛刺的平均值來(lái)判斷納秒激光切割鋰電池極耳的質(zhì)量。結(jié)果表明，納秒激光波形、激光頻率與激光切割速度對(duì)切縫特征參數(shù)的影響較大。建立了激光波形、激光切割速度、脈沖頻率與脈沖寬度對(duì)切縫特征的影響規(guī)律，得到了較優(yōu)的工藝參數(shù)范圍，解決目前鋰電制造行業(yè)極片制造的效率與精度難題，為激光切割極片提供理論與工藝支撐。